Сам Пеньковский был арестован 22 октября 1962 года в посольстве США. Через два дня он вновь посетил Ван Влие и спросил, передал ли тот пакет в посольство, на что последний ответил, что не занимается такими делами, и вернул Пеньковскому нераспечатанный пакет, a при выходе из своего кабинета в ГККНИР. Материалы о том, как КГБ вышел на Пеньковского, до сих пор остаются засекреченными, но на основании известных фактов можно выдвинуть версию его провала.
КГБ мог предположить существование агента западных спецслужб в оборонных структурах, основываясь на утечке секретных военных материалов в США и Великобританию. Об этом могло стать известно от агентов, внедренных в западные спецслужбы. Например, от Джека Данлапа, штаб-сержанта в АНБ США, завербованного в 1960 году. При обыске у Данлапа дома в июле 1963 года, после того как он покончил с собой, было обнаружено несколько важных секретных документов Пеньковского, приписываемых «надежному советскому источнику». Другим возможным информатором мог быть сержант армии США Роберт Ли Джонсон, завербованный КГБ в 1953 году. В 1961 году, став охранником в секретном курьерском центре НАТО в аэропорту Орли, он пачками выносил из хранилища секретную корреспонденцию и передавал ее КГБ. Поскольку информацией Пеньковского о советских планах в Германии располагал старший американский командный состав в Европе, вполне возможно, что КГБ, проанализировав документы, полученные от Джонсона, вычислил источник этой информации. В Англии документы, полученные от Пеньковского, могли читать Джон Вассал, клерк в секретариате адмиралтейства, завербованный КГБ в 1955 году, и Френк Боссард, сотрудник министерства авиации, завербованный ГРУ в 1961 году. Следует иметь в виду и то, что муж Дж. Чизолм, Родерик Чизолм в 1954–1956 годах работал в берлинской резидентуре СИС вместе с Дж. Блейком. Тот, разумеется, не замедлил сообщить в Москву о ведомственной принадлежности Чизолма, и поэтому, когда Чизолм приехал в СССР в июне 1960 года, за ним было установлено постоянное наблюдение.
Интересную деталь раскрыл бывший сотрудник ГРУ Вадим Георгиевич Ильин, командированный в начале 1958 года в парижскую легальную резидентуру ГРУ под прикрытием должности секретаря военного атташе. В марте 1961 года им был завербован чрезвычайно ценный агент из военного министерства, поставлявший важную и достоверную информацию. А в августе 1961 года, по словам Ильина, агент впервые заявил, что в спецслужбах Советского Союза есть предатель. И что уж совсем невероятно, в сентябре 1961 года, во время пребывания Пеньковского в Париже, агент вновь подтвердил, что в ГРУ имеется предатель, и даже назвал его фамилию — Пеньковский. Когда же агент узнал от Ильина, что Пеньковский находится в Париже, то отказался от дальнейшего сотрудничества. Обо всем этом Ильин немедленно доложил резиденту ГРУ в Париже Николаю Ивановичу Чередееву, но тот посчитал информацию недостоверной и запретил упоминать о ней в отчете.